JP3541846B2

JP3541846B2 - 半導体製造装置

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Publication number: JP3541846B2
Application number: JP2003155070A
Authority: JP
Inventors: 健司米田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2019-07-14
Also published as: JP2004006898A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体装置、とりわけＭＯＳデバイスにおけるゲート酸化膜をはじめとする酸化膜形成方法における半導体製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置、とりわけＭＯＳデバイスではゲート酸化膜の形成をはじめとして酸化膜形成工程を多く含んでいる。近年では素子の微細化、高集積化に伴い多層に多結晶シリコン膜を使用する工程が増加している。例えば、１ＭビットダイナミックＲＡＭでは通常、セルの容量を構成するセルプレートを導電性不純物を高濃度に含有した多結晶シリコン膜で形成している。さらにその後選択トランジスタや周辺トランジスタのゲート電極に導電性不純物を高濃度に含有した多結晶シリコン膜で形成している。このように、近年のＬＳＩ素子において、導電性不純物を高濃度に含んだ多結晶シリコン膜は配線材料やＭＯＳトランジスタの電極材料として必要不可欠のものとなっている。すなわち、このような多結晶シリコン膜はＣＶＤを用いて形成される。このため多結晶シリコン膜は半導体基板表面上とその裏面にも形成される。これらの多結晶シリコン膜は非常に高濃度の導電性不純物を含んでいるため、この多結晶シリコン膜が形成された半導体基板では、この多結晶シリコン膜を不純物の拡散源とみなされる。特に、これらの導電性不純物を含んだ多結晶シリコン層の近くに半導体基板表面が露出している場合、この多結晶シリコン膜を形成した後、半導体基板表面に酸化膜を形成したり、アニール等の熱プロセスを経ると、この多結晶シリコン膜から不純物が半導体基板の露出面から基板内部へ拡散する。
【０００３】
図１５はＤＲＡＭのトランジスタのゲート酸化膜形成工程におけるデバイス断面を示したものである。図１５において、１はＰ型シリコン基板、２は分離領域、３はＮ⁺型多結晶シリコンからなるセルプレート、４は容量絶縁膜、５はＮ⁺型拡散領域、６はＰ型拡散領域、７はＮ⁺型多結晶シリコンからのリンの外方拡散、８はゲート酸化膜、９はＮ型拡散領域、１０はＮ⁺型多結晶シリコン膜である。
【０００４】
ゲート酸化膜形成工程図１５（ｂ）および（ｃ）において、セルプレート３が高濃度の導電性不純物を含む多結晶シリコン膜で形成されている。この多結晶シリコン膜を形成した後、ゲート酸化膜８形成の初期の段階、すなわちシリコン基板投入、温度ランピング、アニールなどのプロセスを経たとき、この多結晶シリコン膜からリンが外方拡散され隣接し、基板表面が露出したトランジスタ領域に導入、熱拡散される。一般にＭＯＳトランジスタのしきい値電圧はゲート電極直下の基板表面の不純物濃度の変化に敏感に変化する。このためしきい値電圧の大幅な変動が発生する。すなわち、図１５のＮチャネルトランジスタの場合は、セルプレート３からＮ型不純物であるリンが自己拡散し、隣接したＭＯＳトランジスタのチャネル領域の導電型がＮ型となる。このためＭＯＳトランジスタのしきい値電圧は大きく負にシフトし、常に導通状態となってしまう。
【０００５】
一方、図１６はＬＤＤ構造を持つＭＯＳトランジスタの断面図を示したものである。図１６において、２１はＰ型シリコン基板、２２はＰ型ウェル領域、２３はＮ型ウェル領域、２４は分離領域、２５はゲート酸化膜、２６はＰ型チャネルゲートＮ⁺型多結晶シリコン膜、２７はＮチャネルゲートＮ⁺型多結晶シリコン膜、２８はフォトレジスト、２９はＬＤＤリン注入、３０はリン注入ＬＤＤ領域、３１は自己拡散によるＮ型拡散領域、３２はゲート電極からのリンの外方拡散、３３はチャネル領域、３４はＮ⁺型ソース／ドレイン領域、３５はＰ型ソース／ドレイン領域である。
【０００６】
トランジスタのゲートは通常高濃度に導電性不純物を含んだ多結晶シリコン膜２７で形成される。ゲート電極を形成したあと、ソース／ドレイン領域にはＬＤＤを形成するためイオン注入により低濃度の不純物注入が行なわれる（図１６（ａ））。この後、通常、イオン注入不純物を活性化するための熱処理が行なわれる。このとき多結晶シリコン膜２７ゲートから不純物がソース／ドレインのＬＤＤ領域に拡散される（図１６（ｂ））。ＬＤＤ領域を形成する導電型が多結晶シリコン膜２７の不純物の導電型と同じ場合、このトランジスタのＬＤＤ領域の不純物濃度は濃くなり、結果的にこのトランジスタは短チャネルとなる。すなわち、図１６（ｃ）において、ＮチャネルトランジスタはＮ型多結晶シリコン膜２７から自己拡散したリン原子によりＬＤＤ領域のＮ型不純物濃度は高くなり、さらに横方向の拡散長も長くなる。このため、チャネル領域３３は狭くなりショートチャネルとなる。一方、多結晶シリコン膜ゲートの不純物の導電型とＬＤＤ領域の導電型が反対の場合、ＬＤＤ領域の不純物は多結晶シリコン膜から拡散した不純物でコンペンセートされＬＤＤ領域の不純物濃度は低下する。その結果、ＬＤＤ領域の抵抗が増加し、極端な場合にはオフセットチャネル型のトランジスタとなってしまう。この結果ドライブ能力が低下することとなる。
【０００７】
図１６（ｂ）においてＰチャネルトランジスタのソース／ドレイン領域にＰ型ソース／ドレインと反対導電性をもつリンが自己拡散されＰ型不純物とＮ型不純物のコンペンセーションが起こる。図１６（ｃ）においてＰチャネルトランジスタのソース／ドレイン領域には高抵抗層のＮ型拡散領域３１が形成される。この場合、オフセットチャネルトランジスタとなり、しきい値電圧は正方向に大きくシフトするとともにＰチャネルトランジスタの駆動能力が大幅に低下する。
【０００８】
図１７はＤＤＤ（２重拡散ドレイン）構造をもつＭＯＳトランジスタを考えた場合のデバイス断面図である。
【０００９】
図１７において、４１はＰ型シリコン基板、４２はＰ型ウェル領域、４３はＮ型ウェル領域、４４は分離領域、４５はゲート酸化膜、４６はＰチャネルゲートＮ⁺型多結晶シリコン膜、４７はＮチャネルゲートＮ⁺型多結晶シリコン膜、４８はフォトレジスト、４９はＤＤＤリン注入、５０はリン注入ＤＤＤ領域、５１は自己拡散によるＮ型拡散領域、５２はゲート電極からのリンの外方拡散、５３はチャネル領域、５４はＮ⁺型ソース／ドレイン領域、５５はＰ型ソース／ドレイン領域である。
【００１０】
ＤＤＤ構造においても、ＬＤＤ構造と同じく、ＤＤＤ領域の低濃度の不純物をイオン注入する（図１７（ａ））。この後、ＤＤＤ領域を形成する熱処理の初期において、ゲート電極である不純物が高濃度に含有された多結晶シリコン膜４７からの自己拡散により、ＤＤＤ領域に不純物を拡散させる。したがって、ＤＤＤ領域の不純物が多結晶シリコン膜ゲートと同導電型の不純物の場合はショートチャネル状態となる。これと逆の場合、オフセットチャネル状態を引き起こす（図１７（ｃ））。この他にも、シリコン基板裏面に高濃度の導電性不純物を含む多結晶シリコン膜が存在する場合、酸化炉中で、シリコン基板の裏面とシリコン基板表面とが対向して設置されているシリコン基板の表面に不純物が拡散してしまい、前述のような問題を引き起こす場合もある。これらの現象は、単純に高濃度の導電性不純物を含んだ多結晶シリコン膜が拡散源となり、この拡散源に接近する半導体基板表面の露出面に拡散する現象であり、オートドーピングとも呼ばれている。このオートドーピングの程度は熱処理炉中における熱処理温度、時間、雰囲気、シリコン基板のピッチ、シリコン基板ボートの構造、炉内でのガスの流れ電気炉の構造に大きく依存する。シリコン基板ピッチが狭いほど、またボートが密閉構造であるほどオートドーピングは顕著になる。これに対し、近年、縦型電気炉が注目されており、横型炉に代わって導入されつつある。縦型炉を使用した場合はオートドーピングはさらに顕著に観察される。
【００１１】
通常これらのアニールや酸化を行う熱処理装置の従来例を図１８に示す。ここでは縦型拡散炉を示している。図において、６０はプロセスチューブ、６１は排気口、６２はシリコン基板、６３はボート、６４はヒーター、６５はキャップ、６６はシール、６７はペデスタル、６８はガス導入口、６９はプロセスガス流である。従来例ではプロセスガスがプロセスチューブ６０上部から導入され、プロセスチューブ６０内を流れたあと、チューブ下部の排気口６１から排出される。このときプロセスガスの流れはプロセスチューブ６０上部から下部への流れになる。このため、シリコン基板６２周辺には層流ができており、このためこれらのプロセスガスがシリコン基板６２中心部に向かって流れにくい。シリコン基板中心部においてシリコン基板表面あるいは裏面に形成された高濃度に不純物を含む多結晶シリコン膜などから外方に放出された導電性不純物ガスはシリコン基板間を通過するガスの流れが無いためにシリコン基板間に滞留する。その結果シリコン基板のシリコンが露出している部分にオートドーピングされる。さらに、プロセスガスを用いてシリコン基板表面に不純物領域を均一性よく形成する不純物拡散炉においては、プロセスガスがシリコン基板間、特にシリコン基板中心部に向かって流れにくい。この場合、シリコン基板６２中心部へのプロセスガスの供給は拡散で支配されると考えられる。このような構造の不純物拡散装置を用いた場合、シリコン基板６２面内の不純物濃度は、シリコン基板６２中央部の濃度が周辺に比べ低くなる。さらに、プロセスガスの濃度はプロセスチューブ６０下部にいくほど薄くなるため、プロセスチューブ６０上部のシリコン基板６２とプロセスチューブ６０下部のシリコン基板６２とで不純物濃度に大きな差が発生する。従来構造の不純物拡散炉で拡散を行った場合、シリコン基板６２面内ではシリコン基板６２中央部の不純物濃度が目標値より低くなる。その結果、比抵抗が高くなる（図１９）。一方、シリコン基板６２間ではプロセスチューブ３上部のシリコン基板６２の不純物濃度とプロセスチューブ６０中央部のシリコン基板６２の不純物濃度、さらにプロセスチューブ６０下部のシリコン基板６２の不純物濃度が異なる。その結果シリコン基板６２の比抵抗が異なる。プロセスチューブ６０長手方向の比抵抗の差は、ガス流量や排気速度によって変化する。従来構造の拡散炉ではこのようなプロセスチューブ６０長手方向のシリコン基板６２の比抵抗の不均一性を補償するためプロセスチューブ６０長手方向に温度勾配をもたせていた。また、シリコン基板６２面内の均一性に対してはシリコン基板６２を積載したボート６３を回転させて均一性を向上させる方法が考えられるが、シリコン基板６２を回転させても軸対称になるためシリコン基板６２中央部の比抵抗は改善されない。これを改善するために、プロセスチューブ６０の長手方向に図２０に示すようなインジェクタ７０を用いることが考えられる。図２０に示すインジェクタ７０はインジェクタ７０の長手方向に沿って、シリコン基板６２ピッチの整数倍の間隔で、直径１mm程度の孔が設置されており、この複数の孔からガスがシリコン基板６２の直径方向に噴出する構造にしてある。しかし、この構造のインジェクタ７０ではガス導入口６８に近い部分の孔から噴出するガスの速度とインジェクタ７０先端部ガス噴出口７１孔から噴出するガスの速度は大きく異なる。インジェクタ７０先端部に比べ、インジェクタ７０のガス導入口６８に近い孔からのガス噴出速度が大きい。このため、プロセスチューブ６０上部と下部での比抵抗は、大きく異なっている。また、面内均一性についても孔をシリコン基板６２に向けて設置した場合、シリコン基板６２面内の孔に近い部分ではガス流速がはやくシリコン基板６２表面の温度が低下する。このため、比抵抗は高くなり、孔から最もはなれた部分で適正な値にすることができる。またシリコン基板６２中央部では比抵抗の値は高くなる。このときのシリコン基板６２面内の比抵抗分布は図２１（ａ）のようになる。一方、この孔をシリコン基板６２とは反対方向のプロセスチューブ６０の管壁に向けた場合、ガスは管壁へ衝突し、減速され、反射されたガス流がシリコン基板６２に到達する。これによりインジェクタ７０に近い部分の比抵抗は適正な値が得られる。しかし、シリコン基板６２中央部より、インジェクタ７０から離れた部分についてはガス流の速度が十分でないためガスが行き渡らず、比抵抗は高くなるという現象が生ずる。このときのシリコン基板６０面内の比抵抗分布を図２１（ｂ）に示す。このような、インジェクタ７０を使用した場合、シリコン基板回転機構は非常に有効である。シリコン基板回転機構により比抵抗はシリコン基板６２周辺ではほぼ均一となるが、シリコン基板６２中央部ではやはり高いままである。インジェクタ７０にシリコン基板回転を採用した場合のシリコン基板６２面内の比抵抗分布を図２２に示す。しかし、前述の如く、シリコン基板回転を行う場合、高温かつ腐食性ガス雰囲気中に回転機構を設置せねばならないため、回転機構の信頼性を確保することが難しくなる。また装置自体が複雑で高価なものとなる欠点がある。
【００１２】
これらの装置は不純物拡散を目的として使用される場合もあれば、アニール、酸化を目的として使用される場合もある。酸化に用いる場合、水素ガスと酸素ガスを７６０℃以上の温度で燃焼させることによって生じた水蒸気を酸化剤として用いる。このような酸化法はパイロジェニック酸化法として知られ、ゲート酸化膜や分離用の酸化膜の形成に用いられている。この方法では純度および水蒸気含有量の制御性の点で優れている。パイロジェニック酸化は一般的に酸化炉のプロセスチューブ内部において、インジェクタの先端部から酸素および水素の混合ガスをプロセスチューブ内に噴出させ、高温の炉内で燃焼させ水蒸気を発生させる。このとき水素の爆発限界から酸素流量は水素流量に対し安全を考慮して１８０％以下に設定される。また、このときのインジェクタ先端部での温度は７６０℃以上必要になる。このとき水素に対する酸素流量を調整することで酸化雰囲気全体に占める水蒸気の比率を決定できる。水蒸気酸化において酸化膜の成長速度は雰囲気中の水蒸気分圧で決定される。すなわち、ゲート酸化膜の如き膜厚が薄く、かつ膜厚制御性の要求されるものにおいては酸化性雰囲気に占める水蒸気分圧を下げてやればよい。すなわち、酸素リッチな雰囲気での水素および酸素の燃焼により水蒸気を発生させる。
【００１３】
これらのパイロジェニック酸化は、従来はプロセスチューブ内で燃焼させることによるものであった。しかしプロセスチューブ内で水素および酸素を燃焼させた場合、高温の燃焼ガスの噴出によりプロセスチューブ内の温度が不均一になり、膜厚が不均一になるなどの問題を生じる。このため、燃焼室をプロセスチューブ外に設け専用の燃焼ヒーターにより燃焼させる外部燃焼方式が採用されることが多くなっている。図２３は従来構造の外部燃焼方式の酸化膜形成装置の概念図である。８１はプロセスチューブ、８２はシリコン基板、８３はボート、８６は外部燃焼チャンバー、８７は外部燃焼用ヒーター、８８はインジェクタ、８９は酸素ポート、９０は水素ポート、９１は水酸素炎である。酸素ポート８９および水素ポート９０から導入された水素および酸素ガスは混合されインジェクタ８８中で外部燃焼用ヒーター８７により加熱される。７６０℃以上に加熱された水素、酸素ガスは発火し、インジェクタ８８先端から水酸素炎９１として燃焼チャンバー８６内に放出され、発生した水蒸気はプロセスチューブ８１内へ送られる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の半導体装置の製造方法では、オートドーピングは前述したようにＭＯＳトランジスタのしきい値電圧の大幅な変化、ＭＯＳトランジスタの短チャネル化やオフセットゲート化の両方を、またコンタクト拡散領域の抵抗の増加や接合深さの増大など種々の致命的な問題を引き起こす。しかしながら、近年、半導体装置はますます高集積化しており配線およびゲート電極として多層の多結晶シリコン膜がますます用いられる。このため、このようなオートドーピングに起因する問題は増加する傾向にある。とりわけ、最近では酸化膜厚の均一性がよく、自動化が容易であるなどの理由から従来の横型電気炉に代わり縦型電気炉が導入される傾向にある。発明者らの調査によれば縦型電気炉はその構造上、シリコン基板とシリコン基板の間、特に中心部分にはガスが十分行き届かないため、横型電気炉に比べオートドーピングを起こしやすい。導電性不純物を含んだ多結晶シリコン膜がシリコン基板裏面に存在する場合、これら裏面の多結晶シリコン膜を選択的に除去することにより、続く熱処理中のオートドーピングを防止するが、シリコン基板表面にパターンとして存在している多結晶シリコン膜からのオートドーピングに対しては依然、問題視されている。
【００１５】
また、上記従来の熱処理装置では、シリコン基板回転機構を使用せずに、シリコン基板６２面内に均一性よく不純物を含んだガスを供給し、なおかつプロセスチューブ６０の長手方向に対しても均一に不純物を含んだガスを供給できる構造にする必要がある。
【００１６】
インジェクタ７０の長手方向に配置されたガス噴出口７１からのガス噴出速度を均一にするためには、インジェクタ７０のガス導入口６８から先端にいくに従い、ガス噴出口７１の直径をガス噴出口７１からのガス噴出速度が一定になるように順次、大きくする方法、さらにはガス噴出口７１の間隔を減らすなどの方法がある。しかし、これらの方法は一定速度を与えるガス噴出口７１の直径の算出することが困難で、またその加工が難しい。またガス噴出口７１の直径の経時変化により、各ガス噴出口７１のバランスがくずれやすいなどの問題がある。また、シリコン基板６２面内の均一性を向上させるには複数本のインジェクタ７０を使用する方法があるが、ガス系を２系統必要とする上、２本のインジェクタ７０間のバランスをとる必要がある。このためプロセスチューブ６０とシリコン基板６２の空間的マージンが小さくなるなどの問題がある。
【００１７】
また、上記従来のパイロジェニック酸化法では、酸素リッチな雰囲気でのパイロジェニック酸化において、インジェクタ８８先端部での水素および酸素の燃焼は酸素リッチのため、正常な燃焼状態にはならない。正常な燃焼状態は水素に対する酸素の流量比が１８０％付近であり、このときの水酸素炎９１の温度は比較的低温での燃焼になる。これに対し酸素リッチの場合、過剰酸素により燃焼は爆発的なものとなり水酸素炎９１の温度は非常に高温になる。さらに従来のインジェクタ８８の構造においては水素および酸素ガスを同一のインジェクタ８８から混合して噴出させる。インジェクタ８８先端部を通常口径が絞ってあるためインジェクタ８８先端部から噴出する水素および酸素の混合ガスの噴出速度は非常に高速になる。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板に高濃度の不純物拡散層あるいは高濃度の不純物を含有する導電膜を形成し、その後、前記不純物拡散層あるいは導電膜に覆われた領域以外の前記半導体基板表面に酸化膜を形成するに当り、前記半導体基板を酸化装置に導入する第１の工程と、導入後所定の温度とする第２の工程と、前記所定の温度でアニールを行なう第３の工程からなり、前記第１，２，３の工程を酸素と窒素との混合雰囲気中で処理する。
【００１９】
また、半導体基板に高濃度の不純物拡散層あるいは高濃度の不純物を含有する導電膜を形成し、その後、前記不純物拡散層あるいは導電膜に覆われた領域以外の前記半導体基板表面に酸化膜を形成するに当り、前記半導体基板を酸化装置に導入する第１の工程と、導入後所定の温度にさせる第２の工程と、前記所定の温度でアニールを行なう第３の工程からなり、前記第１の工程を低温の酸素雰囲気中で行ない、前記第２，３の工程を非酸化性雰囲気中で処理する。
【００２０】
また、半導体基板に容量絶縁膜を介してセルプレートを形成し、前記セルプレートが高濃度の不純物を含有する導電膜で形成されており、その後、前記半導体基板を酸化装置に導入する第１の工程と、導入後所定の温度にさせる第２の工程と、前記所定の温度でアニールを行なう第３の工程からなり、前記第１，２，３の工程を酸素と窒素との混合雰囲気中で処理し、ゲート酸化膜を形成する。
【００２１】
また、半導体基板上に不純物を含有する導電膜を形成する工程と、前記導電膜をマスクに第１のイオン注入する工程と、前記第１のイオン注入後に前記半導体基板を酸化装置に導入する第１の工程と、導入後所定の温度にさせる第２の工程と、前記所定の温度でアニールを行なう第３の工程からなり、前記第１，２，３の工程を酸素と窒素との混合雰囲気中で処理し、酸化する工程と、その後、導電膜の側壁に絶縁膜を形成する工程と、前記導電膜と前記側壁をマスクに第２のイオン注入を行なう。
【００２２】
また、半導体基板上に不純物を含有する導電膜を形成する工程と、前記導電膜をマスクに第１のイオン注入する工程と、前記第１のイオン注入後に前記半導体基板を酸化装置に導入する第１の工程と、導入後所定の温度にさせる第２の工程と、前記所定の温度でアニールを行なう第３の工程からなり、前記第１，２，３の工程を酸素と窒素との混合雰囲気中で処理し、酸化する工程と、その後、導電膜の側壁に絶縁膜を形成する工程と、前記導電膜と前記側壁をマスクに第２のイオン注入を行なう。
【００２３】
また、半導体基板上に不純物を含有する導電膜を形成し、前記導電膜をマスクにイオン注入することで拡散係数の大きい第１の不純物を低濃度にドープし、拡散係数の小さい第２の不純物を高濃度にドープした後、前記半導体基板を酸化装置に導入する第１の工程と、導入後所定の温度にさせる第２の工程と、前記所定の温度でアニールを行なう第３の工程からなり、前記第１，２，３の工程を酸素と窒素との混合雰囲気中で処理する。
【００２４】
上記問題点を解決するために本発明の半導体製造装置は、プロセスチューブと、前記プロセスチューブ内に半導体基板をセットした基板ボートと、前記プロセスチューブ内にプロセスガスを導入するインジェクタを備え、前記インジェクタから導入したプロセスガスが前記半導体基板平面と平行に供給される。
【００２５】
また、上記問題点を解決するために本発明の半導体製造装置は、プロセスチューブと、前記プロセスチューブ内に設置されたボートと、前記プロセスチューブ内にガスを導入するガス導入口と、前記プロセスチューブ内からガスを排出する排気口と、前記ガス導入口から導入されたガスはインジェクタを通って前記プロセスチューブ内に導入され、前記インジェクタが前記プロセスチューブの長手方向に前記ボートの長さを越える長さを持つ。
【００２６】
また、上記問題点を解決するために本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板上に多結晶シリコン膜もしくは二酸化シリコン膜もしくは窒化シリコン膜または、これらの膜の組合せにより構成される複合膜上に水素ガスと酸素ガスの燃焼により水蒸気雰囲気中で熱酸化を行う工程と、これら熱酸化後に連続してさらに前記シリコン基板上もしくはシリコン基板上の膜上に化学気相成長法により多結晶シリコン膜、二酸化シリコン膜、窒化シリコン膜やその他の気相成長膜を形成する工程と、前記熱酸化で、水素ガス流量に対し、酸素ガス流量を前記水素ガス流量の０．５６倍として燃焼させ、前記燃焼により生じた水蒸気に対し、さらに酸素を混合させ、酸化を行う。
【００２７】
また、上記問題点を解決するために本発明の半導体製造装置は、水素および酸素ガスの燃焼用チャンバーと外部燃焼用ヒーターおよびインジェクタをプロセスチューブ外に有し、前記燃焼用チャンバーで発生した水蒸気を前記プロセスチューブ内に送り込み、さらに前記プロセスチューブに設置された、別の導入口から酸素を導入し、前記燃焼に用いる水素ガス流量と酸素ガス流量を自動的に決定する手段と、前記燃焼により生じた水蒸気に混合するべき酸素の量を計算する演算手段を有する。
【００２８】
【作用】
上記本発明の構成によれば、熱処理シーケンスに沿って熱処理を行なうことにより、半導体基板表面にその後行なう酸化工程によって成長させる酸化膜に悪影響を及ぼすことがない。半導体基板表面に不純物拡散を防止する薄い酸化膜を成長させることによって、高濃度不純物層からの自己拡散を防止することができる。また半導体基板の直径方向に、半導体基板間にプロセスガスが流れる構造を持つガスインジェクタを設けた熱処理装置を使用することにより、半導体基板の表面および裏面の高濃度不純物層より外方拡散した不純物は、半導体基板間にとどまることができず、プロセスガスとともに運びさられる。このため自己拡散を防止することができる。もちろん、これらの方法は単独で用いても併用してもよく、併用した場合、確実な効果が期待できるものである。
【００２９】
【実施例】
以下に本発明を縦型拡散炉を用い、ＬＤＤ構造をもったＭＯＳトランジスタの熱処理に適用する場合について説明する。
【００３０】
ＬＤＤ構造をもつＭＯＳトランジスタを形成する場合、図１に示すようにＮチャネルトランジスタとＰチャネルトランジスタの場合とでプロセスが異なる。まず、Ｐ型シリコン基板１０１表面にはＰ型ウェル領域１０２とＮ型ウェル領域１０３が形成されている。両者のウェル領域１０２、１０３の間に分離領域１０４が形成されている。Ｐ型ウェル領域１０２にはＮチャネルトランジスタが形成され、Ｎ型ウェル領域１０３にはＰチャネルトランジスタが形成される。シリコン基板１０１上にゲート酸化膜１０５が形成され、その上にＰチャネルトランジスタのゲート電極となるＮ⁺型多結晶シリコン膜１０６が形成されている。もう一方にはＮチャネルトランジスタのゲート電極となるＮ⁺型多結晶シリコン膜１０７が形成されている。これらの多結晶シリコン膜１０６，１０７にはリン原子が３×１０²⁰／ｃｍ³程度ドーピングされている。次に、トランジスタのゲート電極を公知の写真食刻技術とドライエッチング技術により形成する。この後、ソース／ドレイン領域１１４となるリン注入によって形成されたＬＤＤ領域１１０はシリコン基板１０１表面が露出した状態になる。これはゲート酸化膜１０５が薄膜化してきているため、ゲート電極形成時のドライエッチング時に、たとえ酸化膜が残ることがあっても、この酸化膜はエッチング損傷を受けているため、後の洗浄工程で容易に除去されてしまう。
【００３１】
次に、ＮチャネルトランジスタのＬＤＤ領域１１０を形成するために、Ｐチャネルトランジスタを形成する領域をフォトレジスト１０８でマスクする。この後、基板全面にリンイオン１０９を注入する。これによって、ＬＤＤ領域１１０が形成される。この時、Ｎチャネルトランジスタにリン原子を２×１０¹²／ｃｍ²だけイオン注入している（図１（ａ））。
【００３２】
続いてゲート電極に側壁を形成する。この側壁材料にはＣＶＤによる高温酸化膜（ＨＴＯ）もしくはＣＶＤによるＴＥＯＳ酸化膜等が用いられる。側壁材料の密着性を強化し、前の工程でＬＤＤ領域１１０に注入されたリンイオン１０９を活性化する目的で、アニールおよび酸化膜の形成を行なう。この熱処理により、多結晶シリコン膜１０６，１０７のゲート電極からリン原子が外方拡散し、ＬＤＤ領域１１０に自己拡散する。この結果、ＬＤＤ領域１１０の導電型はＮ型となる。ＬＤＤ領域１１０がＮ型となると、ＮチャネルトランジスタのＬＤＤ領域１１０のリンイオン注入量が増加したことになる。この結果、ＬＤＤ領域１１０の抵抗が下がり、外方拡散によって導入されたリンイオンが拡散し、Ｎ型領域がゲート電極の下にまで達する。ゲート電極の下にまでＮ型領域が達すると、このＮチャネルトランジスタのチャネルがショートチャネルとなる。
【００３３】
一方、ＰチャネルトランジスタではＮ型のリン原子は、後の工程でソース／ドレイン領域１１５を形成するのに導入されるＰ型不純物とコンペンセートされる。このため高抵抗層もしくはソース／ドレイン領域１１４と側壁領域直下との位置にＰＮ接合が形成される。この結果、実質的にソース／ドレイン領域１１４のＰ型拡散層がゲート電極下まで到達せず、オフセットゲートトランジスタとなる。
【００３４】
これを防止するためには、図１（ｂ）に示す熱処理の初期の工程、すなわちシリコン基板１０１を炉内へ投入する工程、温度を安定させる工程および温度ランピングおよびアニールを行なう工程を工夫することが必要である。これらの工程における熱処理シーケンスを図２に示す。
【００３５】
図２において、熱処理の初期の段階において１〜５体積％の酸素を含む窒素ガスで処理する。このため、熱処理の初期において拡散源である高濃度不純物を含有する多結晶シリコン膜１０６，１０７のゲート電極表面に薄い酸化膜１１７が形成される。この酸化膜１１７が高濃度不純物が外方拡散する場合の障壁となり、不純物の外方拡散を抑制する。また、一方のＬＤＤ領域１１０の表面にも薄い酸化膜が形成される。この酸化膜１１７が外方拡散された不純物がＬＤＤ領域１１０に拡散層するのを防止することができる。熱処理の初期の段階ではシリコンの表面を酸化しないように反応性の低い雰囲気中で行なわれる。特にその熱処理によって基板に導入したイオンを活性化する場合に、存在する酸素によってＯＳＦ（Oxygen Induced Stacking Fault）を発生させる。このため基板表面を必要以上に酸化することを避ける必要がある。本実施例ではシリコン表面に不純物が拡散するのを防止するために薄い酸化膜を形成する必要がある。このため熱処理温度を例えば７００℃程度の低温で行なうと、不純物の拡散は生じにくいが、同時に表面の酸化膜も成長しにくい。一方１０００℃程度の温度では、不純物の拡散が生じ易いが同時に酸化膜も成長し易い。このように不純物の拡散量と酸化膜の膜厚とがトレードオフの関係にある。酸化膜の膜厚は必要最小限５ｎｍにする必要がある。このため本実施例のように９００℃の温度で成長させる場合には、酸素分圧が１〜５体積％程度にしている。酸素分圧が１体積％以下では酸化力が弱いので、十分な不純物の拡散を防止できない、また５体積％以上では酸化力は強いが、必要以上の酸化膜が形成され、ＯＳＦ等の結晶欠陥が発生する。ここで成長温度を８００℃程度にすると酸素分圧は同様の理由で１体積％〜１０体積％で用いることができる。
【００３６】
このアニール・酸化条件は、まずシリコン基板１０１を温度９００℃で炉内部に投入する。投入時間は約３０分である。この時、炉内には窒素ガスの流量を毎分１４.５５リットル、酸素を０.４５リットル流している。シリコン基板１０１を炉内に投入し終えると、炉内の温度を安定化さすために、シリコン基板１０１の位置を固定した状態で温度安定化のために２０分間放置する。この温度安定化によって炉内が均一に９００℃に保持される。次に窒素の流量（毎分１４.５５リットル）はそのままにして、酸素を毎分１５リットルと水素を毎分７．５リットルの流量で炉内に導入し、酸化を行なう。酸化時間は１６分間である。この後、酸素と水素の供給を遮断し、窒素のみ同流量で、フローさせながらシリコン基板１０１の炉内からの取り出しを行なう。シリコン基板１０１の取り出し時間は３０分である。ただし、酸素と水素をフローさせる工程で、同時に窒素をもフローしているが、窒素のフローを停止し、酸素と水素だけをフローしてもよい。ここで温度を９００℃にしているのは、イオン注入後の活性化と、その後のシリコン基板表面を保護するための酸化膜の膜厚を３０ｎｍ程度にすることから、その不純物の再分布や酸化膜の膜厚制御性の点から９００℃で用いる。また、投入時間はシリコン基板の熱変化によるストレスができるだけ加わらず、かつ結晶欠陥を生じさせないために、約３０分にしている。窒素ガスの流量毎分１４．５５リットルにしているのはプロセスチューブ内を短時間にパージできる量にしている。
【００３７】
その際、成長する酸化膜はＬＤＤ領域１１０で３〜５ｎｍ程度であり、多結晶シリコン膜１０６，１０７の表面では不純物濃度にもよるが、ＬＤＤ領域１１０における酸化膜厚の２〜３倍となる。多結晶シリコン膜に含有された不純物の濃度を上記の値で用いると、多結晶シリコン膜上には８〜１５ｎｍの膜厚の酸化膜１１７が成長する。この酸化膜１１７成長はゲート電極に含有されたリン原子が外方拡散するのと同時に起こるので、オートドーピングによるＬＤＤ領域１１０へのリンの拡散を防止することができる。このため後の酸化工程で形成される酸化膜の膜厚やその膜質への悪影響はない。本実施例では導入時の雰囲気を３体積％酸素を含有する窒素雰囲気で行なった。
【００３８】
また、Ｐ型シリコン基板１０１の裏面に高濃度に不純物を含有した多結晶シリコン膜が形成されていたり、あるいはシリコン基板１０１の裏面が露出している場合についても、これらの熱処理時に隣合うシリコン基板１０１の不純物がこの多結晶シリコン膜や裏面に付着、拡散する場合にも、本実施例を用いることができる。
【００３９】
これらの熱処理に続き、ＬＤＤ領域１１０の側壁１１６を形成する酸化膜をＣＶＤを用いて堆積する。この後、フォトリソグラフおよびエッチング工程を経てＬＤＤ側壁１１６を形成する。この後、ＬＤＤ側壁１１６とゲート電極とをマスクとしてソース／ドレイン領域１１４をおのおのＮチャネルトランジスタには砒素、ＰチャネルトランジスタはＢＦ₂をイオン注入することにより、ＬＤＤ構造を持つＭＯＳトランジスタが完成する（図１（ｃ））。
【００４０】
すなわちＬＤＤ側壁１１６とゲート電極とをマスクとして、Ｎチェネルトランジスタのソース／ドレイン領域１１４を砒素で、Ｐチャネルトランジスタのソース／ドレイン領域１１５を形成するのにＢＦ₂を用いる。この時、Ｎチャネルトランジスタに砒素を注入する際にはＰチャネルトランジスタをレジストでマスクし、逆の場合にはＮチャネルトランジスタをレジストでマスクする。
【００４１】
このとき、ＮチャネルおよびＰチャネルトランジスタのＬＤＤ領域１１０にはオートドーピングによるリン原子の拡散領域は存在しない。このため、Ｎチャネルトランジスタにおいては、短チャネル効果が生じることがない。また、Ｐチャネルトランジスタにおいては、リン原子はＢＦ₂とコンペンセーションを引き起こすことがないのでオフセットチャネルトランジスタとなることはない。
【００４２】
図３はＤＤＤ構造を有するＭＯＳトランジスタへの実施例を示したものである。
【００４３】
図３において、Ｐ型シリコン基板１２１にＰ型ウェル領域１２２とＮ型ウェル領域１２３を形成する。Ｐ型ウェル領域１２２とＮ型ウェル領域１２３との境界領域に両者を電気的に分離する分離領域１２４を形成する。それぞれのウェル領域１２２，１２３のシリコン基板１２１上にゲート酸化膜１２５を介してゲート電極が形成される。ゲート電極は、Ｎ型ウェル領域１２３にＰチャネルトランジスタゲートＮ⁺型多結晶シリコン膜１２６で、他方はＮチャネルトランジスタゲートＮ⁺型多結晶シリコン膜１２７で形成されている。
【００４４】
次にＮ型ウェル領域１２３をフォトレジスト１２８を用いてマスクする。その後、リンイオン１２９の注入を行なう。このリン注入によってＤＤＤ領域１３０を形成する。次に、シリコン基板１２１に所定のアニールおよび酸化を行なって酸化膜１３１を形成する。この時、ＤＤＤ領域１３０で挟まれたゲート電極直下がチャネル領域１３３となる。さらにフォトレジストをマスクにイオン注入によってＰウェル領域１２２にＮ⁺型ソース／ドレイン領域１３４を、Ｎウェル領域１２３にＰ⁺型ソース／ドレイン領域１３５を形成する。
【００４５】
ここで、ＬＤＤ構造の場合と同じく、ＤＤＤ領域１３０へ低濃度のリンイオン１２９を注入後の工程であるアニールおよび、酸化の初期の段階において、ゲート電極に含まれた高濃度の不純物が外方拡散し、ＤＤＤ領域１３０にまで拡散される。これを防止するため、これらの熱処理の初期の段階において、図４に示す熱処理シーケンスに従って処理する。まず温度を８００℃に保持し状態で、酸素ガスを１５リットル／分フローさせる。この酸素雰囲気中に、３０分かけてシリコン基板１２１を投入する。シリコン基板１２１の投入が完了するとその状態で２０分間放置し、炉内の温度の安定化を行う。次に、温度安定化後、酸素ガスのフローを止め、窒素ガスを毎分１５リットル炉内にフローさせる。これと同時に１分間に４℃の割合で昇温を行い、２５分後に９００℃の温度にする。その後、窒素雰囲気の状態で３０分間アニールを行う。このように熱処理の初期の段階に高濃度不純物を含有する多結晶シリコン膜１２６，１２７表面およびＤＤＤ領域表面に薄い酸化膜１２８を形成し、不純物の外方拡散の抑制および外方拡散した不純物のＤＤＤ領域１３０への拡散を抑制することができる（図３（ｂ））。
【００４６】
その後、窒素ガスを遮断し、酸素ガスを毎分１５リットルと水素ガスを毎分１５リットルを炉内にフローさせる。この状態で１６分間放置し、シリコン基板１２１を酸化する。ここで重要なのは熱処理の最も初期の段階に拡散源である多結晶シリコン膜１２６，１２７の表面およびＤＤＤ領域１３０の表面に薄い酸化膜１２８を形成することである。ここに示す実施例ではシリコン基板投入は８００℃の低温で投入することで、外方拡散されることも少ない。酸化後は、酸素ガスと水素ガスのフローを遮断し、窒素ガスを毎分１５リットルフローさせる。この窒素雰囲気で、毎分４℃の割合で降温し、２５分後に８００℃にする。さらにこの状態で、３０分間でシリコン基板１２１の取り出しを行う。
【００４７】
投入時の温度を８００℃にしているのは、投入時における不純物のリンの拡散を小さくし、かつ高濃度の不純物拡散層からの外方拡散する不純物量を少なくするためである。また、この時酸素雰囲気にしているのは、温度が８００℃であるので酸素分圧が１００体積％であっても、２０分間で成長する酸化膜の膜厚は４.５ｎｍとなり、この膜厚で不純物が拡散するのを防止できるためである。その後、昇温時に窒素ガスを流しているのは、すでに前の工程で不純物の拡散のバリアとなる酸化膜が形成されているので、酸素ガスをここではフローさせる必要がない。
【００４８】
図５は２層多結晶シリコン構造を有するＤＲＡＭのゲート酸化膜形成工程における実施例を示したものである。まずＰ型シリコン基板１４１の所定領域に分離領域１４２となるフィールド酸化膜を形成する。次にシリコン基板１４１中にＰ型拡散領域１４６を形成する。さらにＭＯＳトランジスタのソース、ドレインとなるＮ⁺型拡散領域１４５を形成する。次に、シリコン基板１４１上のＰ型拡散領域１４６の上に容量絶縁膜１４４とＮ⁺型多結晶シリコン膜セルプレート１４３を形成する（図５（ａ））。その後、ＭＯＳトランジスタを形成するシリコン基板１４１上にゲート絶縁膜１４８を形成する。さらにセルプレート１４３表面に薄い酸化膜１５１を形成する。ここでセルプレート１４３は高濃度の不純物を含有した多結晶シリコン膜で形成されている。このため選択トランジスタであるＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜１４８形成中に、セルプレート１４３から外方拡散した不純物はゲート酸化膜１４８の形成工程の初期段階に、ゲート絶縁膜直下のシリコン基板１４２に自己拡散する。これを防止するため、図６に示す熱処理シーケンスにより処理を行う。まず温度を９００℃に保持し状態で、酸素ガスを１４.５５リットル／分と酸素濃度が３体積％となるように酸素ガスを０.４５リットル／分でフローさせる。この雰囲気中に、３０分かけてシリコン基板１４１を投入する。シリコン基板１４１の投入が完了するとその状態で２０分間放置し、炉内の温度の安定化を行う。次に、温度安定化後、続けて３０分間アニールを行なう。次に窒素ガスのフローを止め、酸素ガス流量を毎分１５リットルとし、さらに水素ガスを毎分７.５リットルフローさせ、９分間酸化する。この後、酸素ガスと水素ガスを遮断し、代わりに窒素ガスを１４.５５リットル／分でフローする。これと同時に毎分４℃の割合で２５分間炉の温度を昇温させ９００℃から１０００℃に変化させる。この状態で２０分間酸化後のアニールを行なう。この後、窒素雰囲気で、毎分４℃の割合で降温し、２５分後に９００℃にする。さらにこの状態で、３０分間でシリコン基板１４１の取り出しを行う。このようにして、図５（ｂ）に示すように熱処理の初期の段階に、セルプレート１４３および選択トランジスタのゲート領域に薄い酸化膜１５１を形成し、セルプレート１４３からの不純物の外方拡散および外方拡散した不純物がゲート領域へ拡散されるのを抑制する。この場合も、本実施例の熱処理で、所定のゲート酸化膜１４８形成前に成長する酸化膜１５１の膜厚は５ｎｍ程度である。ゲート酸化後（図５（ｃ））のゲート酸化膜１４８の膜厚および膜質に影響を及ぼすことはない。もちろん、前記、ＤＤＤ構造の実施例で示した如き、低温投入による酸素中処理を行なった場合も同様の効果を得ることができる。
【００４９】
この後、ゲート電極であるＮ⁺型多結晶シリコン膜１５０をゲート絶縁膜１４８上に形成する（図５（ｄ））。
【００５０】
以上は、製造方法の改良による実施例であるが、以下にこれらの問題を解決する機構を備えた製造装置を用いた場合の実施例について説明する。本実施例では一般的にオートドーピングの発生しやすい縦型電気炉を用いた場合について説明する。図７（ａ）は本発明の縦型電気炉における実施例を示したものである。
【００５１】
図７において、シリコン基板１６０は基板ボート１６５に設置される。基板ボート１６５はプロセスチューブ１６２の縦方向（紙面の上下方向）に設置されている。シリコン基板１６０は基板ボート１６５に垂直に、すなわち紙面の左右方向に１枚ずつほぼ等間隔で基板ボート１６５の縦方向に設置される。プロセスチューブ１６２の外側にヒーター１６３が設けられている。さらにプロセスチューブ１６２内部にプロセスガス１６４を供給するインジェクタ１６１が取り付けられている。シリコン基板１６０間における外方拡散した不純物を効率よく、シリコン基板１６０間から運びさるには、シリコン基板１６０間に水平に流れるガス流が必要である。この水平方向のガス流を実現するために、水平方向にシリコン基板ピッチの整数倍の噴き出し口をもつインジェクタ１６１のガス導入管が設けられている。
【００５２】
図７（ｂ），（ｃ），（ｄ）は本実施例で用いたガスインジェクタ１６１の詳細図面を示す。インジェクタ１６１は片側が閉じた石英管が用いられ、インジェクタ１６１の長手方向に直線状にガス噴出口１６６が等間隔に配置されている。この間隔は基板ボート１６５にシリコン基板１６０が設置されている間隔の２倍の長さに配置してある。図７（ｃ）は図７（ｂ）の円領域Ａの部分の長手方向に沿った断面図であり、図７（ｄ）は図７（ｂ）の線分Ｂ−Ｂ’での断面図である。
【００５３】
インジェクタ１６１は外径１０ｍｍ、内径８ｍｍの外管中に、外形６ｍｍ、内径４ｍｍの内管が設置された２重管の構造をもっている。インジェクタ１６１の一端から導入されたプロセスガス１６４は一旦、内管に導入される。ガスは内管をインジェクタ１６１先端部に向かって進行する間、ガス噴出口１６７から内管と外管の間隙に放出される。このとき、インジェクタ１６１の先端部と根元ではガス噴出口１６７から噴出するガスの流速は異なる。すなわち、先端部における流速は根元部における流速に比べ遅くなる。しかしながら、一旦、プロセスガス１６４は内管と外管の間隙に放出されるため、バッファの役目を果たし、インジェクタ１６１の長手方向に対する流速分布を抑制できる。バッファは、先端部における流速が根元部での流速に比べ遅くなるのを防止し、先端部でも根元部からの流速を同じにする。すなわちバッファによって同心管の内管から出たガスを一旦貯めておくことによって、外管から出るときには先端部と根元部との流速がほぼ等しくなる。
【００５４】
外管に設けられたガス噴出口１６６は図７（ｄ）に示す環状断面において、それぞれのガス噴出口１６６が互いに９０度の角度をもつように形成されている。本実施例ではシリコン基板１６０は基板ボート１６５に４．７６ｍｍ間隔で設置されているので、ガス噴出口１６６のピッチは９．７６ｍｍである。ここではガス噴出口１６６の総数は１６０個である。さらに図７（ｄ）に示すように、内管に設置された直径２ｍｍのガス噴出口１６７は外管に設置されたガス噴出口１６６より互いに１３５度の内角をもつ位置に設置されている。ただしガス噴出口１６７はガス噴出口１６６ほど細かい間隔で設置する必要はなく、本実施例においては５ピッチ毎に設置している。ガス噴出口１６６はシリコン基板１６０とその基板の次の基板との間の空間をガスが流れるようにする。このためには基板間の間隔と同数のガス噴射口を設けるのがよい。しかし、ガス噴出口１６６から噴き出されるガスは噴射と同時に広がりをもつので、本実施例では基板間の２倍の間隔で配置している。一方、内管のガス噴出口１６７はバッファに噴出すればよいので特に基板間の間隔とは無関係である。ただし基板間の間隔をあまり細かくすると、インジェクタの先端部と根元部でのバッファに噴き出すガスの流速が異なるので、本実施例では基板間の間隔の５〜１０倍程度にして、先端部においてもある程度の流速を確保できるようにしている。
【００５５】
以上の構成によって、一旦、内管と外管との間隙に放出されたプロセスガス１６４は外管に設置された、ガス噴出口１６７からプロセスチューブ１６２内部に放出される。このとき、ガス噴出口１６７から放出されるプロセスガス１６４の流速はインジェクタ１６１先端部においても根元においてもほぼ等しくなる。ガス噴出口１６６から放出されたプロセスガス１６４はシリコン基板１６０表面および裏面に平行にシリコン基板１６０間を流れ、プロセスチューブ１６２の他方のチューブ壁まで到達した後、排気ポートを通して排気される。このとき、シリコン基板１６０面に平行に流れたプロセスガス１６４は、シリコン基板１６０裏面や表面から外方拡散し、外部に放出された不純物を含むガスを流速によりシリコン基板１６０間から運びさるため、これらのシリコン基板１６０自身から外方拡散されたプロセスガスが再び、シリコン基板１６０の表面のシリコン露出領域に再拡散されるのを防止することができる。ここでこのようなインジェクタを持たない１５０ｍｍ径のプロセスチューブの長手方向のガスの流速は、酸素または窒素を１５リットル／分でフローした時、０．７ｃｍ／秒である。またインジェクタを使用した場合には５３ｃｍ／秒と約７６倍に高速化されている。これによって外方拡散する不純物が基板上に到達せずに排気される。すなわちインジェクタを用いた場合、シリコン基板中心での流速は０．３ｃｍ／秒程度である。このためシリコン基板に６インチ径のものを用いていると、ガスが通過するまでに５０秒程度かかる。このとき、プロセスガス１６４はシリコン基板１６０間に均一に流す必要がある。このため、外管に設けられたガス噴出口１６６は互いに１３５度の角度を持たせて設置されている。また、シリコン基板１６０を回転させることにより、さらに均一なガス流を確保することができる。
【００５６】
本実施例ではインジェクタ１６１を直管構造としたが、実際にはプロセスガス１６４の余熱などの目的で、折返し構造としてもよい。また、インジェクタ１６１の挿入方向はプロセスチューブ１６２上部からでも下部からでも同様の効果を得ることができる。
【００５７】
本発明の如き、高濃度不純物層もしくは高濃度不純物を含む多結晶シリコン膜をシリコン基板の表面および裏面の一部または全部に有する半導体装置に熱処理を行なう場合、これらの不純物層から外方拡散した不純物が、不用意にシリコン基板表面の露出部分に拡散されることを防止することができる。その結果として、ＬＤＤおよびＤＤＤ構造を持つＭＯＳトランジスタにおいては短チャネルやオフセットチャネルによるしきい値電圧の変動や、電流駆動力の変動を防止することができる。また、多層多結晶シリコンを有する半導体装置においてはゲート酸化膜形成工程でのオートドーピングを防止することができ、しきい値電圧の変動を防止することができる。
【００５８】
図８は本発明に示す構造を有する第２の縦型拡散炉である不純物拡散装置の断面構造を示す。シリコン基板１７０は基板ボート１７１に設置される。基板ボート１７１はプロセスチューブ１７３の縦方向（紙面の上下方向）に設置されている。シリコン基板１７０は基板ボート１７１に垂直に、すなわち紙面の左右方向に１枚ずつほぼ等間隔で基板ボート１７１の縦方向に設置される。基板ボート１７１はキャップ１７７上に形成されたペデスタル１７９に取り付けられている。シリコン基板１７０を積載した基板ボート１７１はプロセスチューブ１７３下部から自動機により挿入、取り出しが行われる。プロセスチューブ１７３の外側にヒーター１７４が設けられている。さらにプロセスチューブ１７３内部にプロセスガス１７５を供給するインジェクタ１７６が取り付けられている。ガス導入口１８０から導入されたプロセスガス１７５は、インジェクタ１７６内部を通りプロセスチューブ１７３内に導入される。導入されたプロセスガス１７５は所定の処理を経て、ガス排気口１８１から外部に排気される。またインジェクタ１７６はプロセスチューブ１７３の外では下方の位置から導入され、プロセスチューブ１７３の上部へ導かれ、プロセスチューブ１７３上部で下部に向かって折り返しプロセスチューブ１７３内部に導入されていく折り返し構造となっている。プロセスチューブ１７３は、シール１７８を介してキャップ１７７によって密閉されている。このようにしてプロセスチューブ１７３内部を減圧状態で動作させる。
【００５９】
折り返し部分にはガス噴出口１８２が備えてある。インジェクタ１７６を折り返し構造とすることで、プロセスガスを一旦プロセスチューブ１７３内で予熱してから、プロセスチューブ１７３に導入できる。このインジェクタ１７６により、シリコン基板１７０が積載された基板ボート１７１の全長にわたりプロセスガス１７５が行き渡る。
【００６０】
図９はこの不純物拡散装置に用いるインジェクタの構造を示す。図１０は図９の円領域Ａのインジェクタの長手方向の断面図である。また図１１は図９の線分Ｄ−Ｄ’での環状断面図である。図９、図１０、図１１は本発明に示す、インジェクタ１７６の構成図である。これは上記第１の縦型拡散炉のインジェクタと同じ構造をしている。すなわちインジェクタ１７６の構成材料は高純度石英を用いた。インジェクタ１７６は折り返し構造をもつ２重管となっており、ガス導入口１８０から導入されたプロセスガス１７５は折り返し点までに予熱され、折り返し点からは２重管の内管を通り、内管に配置されたガス噴出口１８２より、内管と外管の間隙に放出される。このとき内管のガス噴出口１８２から噴出されるガスの速度は、インジェクタ１７６の先端部と折り返し部では異なる。しかし、一旦、内管と外管の間隙に放出することにより、このガスの速度差は大幅に緩和される。したがって、外管に設けられたガス噴出口１８２から噴出する場合、インジェクタ１７６の先端部と折り返し部でのガス噴出速度の差は非常に小さく、インジェクタ１７６の長手方向全域に渡り、均一なガス噴出速度が実現できる。これにより、第１の縦型拡散炉によって実現されるデバイスの外方拡散を防止できることはもちろんのこと、シリコン基板１７０間を流れるプロセスガス１７５のフローの均一性を高めることができる。一方、外管においては互いに９０度の角度をもって２種類のガス噴出口１８２が配置されている。このガス噴出口１８２はインジェクタ１７６の長手方向に基板ボート１７１に配置したシリコン基板１７０の間隔の整数倍の間隔で直線上に配置されている。本実施例ではシリコン基板１７０の配置された間隔は５．８４ｍｍであるので、外管のガス噴出口１８２の間隔は２ピッチおきすなわち１１．６８ｍｍとした。また、ガス噴出口１８２の直径は１ｍｍとした。一方、内管についてはガス噴出口１８２の間隔は５ピッチ、すなわち２９．２０ｍｍおきとし、ガス噴出口１８２の直径は２ｍｍとした。ここでガス噴出口の直径はガス噴出速度によって決められる。
【００６１】
インジェクタ１７６はプロセスチューブ１７３の壁面から５ｍｍ程度はなして配置されている。２つの互いに９０度の角度を持ったガス噴出口１８２が、プロセスチューブ１７３の直径方向に対しそれぞれ４５度±１５度および１３５度±１５度の角度で配置されている。すなわち、２つのガス噴出口１８２の成す角度９０度の２等分線がプロセスチューブ１７３の直径方向に対し９０度、プロセスチューブ１７３の壁面の接線に対し平行である。
【００６２】
図１２にガス噴出口１８２の配置によって、多結晶シリコン膜の比抵抗がどのような分布になるのかを示したものである。ここでは、拡散源としてオキシ塩化リンを窒素ガスでバブリングして得られたプロセスガスを用いて拡散を行う実施例について示す。これはシリコン基板上に形成された酸化膜の多結晶シリコン膜にプロセスガスから不純物を拡散させている。拡散源としてはオキシ塩化リン（純度９９．９９９９９％）を２０℃に保ち、窒素ガスをキャリアガスとしてガス流量６００ｃｃ／分で流す。これによって、窒素ガス中に１２０ｍｇ／分のオキシ塩化リンを含有するプロセスガスを発生させる。このプロセスガスにさらに窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスを、流量それぞれ２０リッットル／分と１６０ｃｃ／分でプロセスチューブ内に導入する。拡散に用いる温度は９５０℃とし、拡散時間は２０分とした。
【００６３】
図１２の円はプロセスチューブ１７３を上面より見た図である。外側の円はプロセスチューブ１７３の外周であり、プロセスチューブ１７３の中心にシリコン基板１７０が設置されている。シリコン基板１７０の斜線部は比抵抗の高い領域を示し、他の領域は比抵抗の均一な領域である。均一性を測定した点は得られたシリコン基板１７０の中心から１０ｍｍずつ左右、上下とした格子状の点で、シリコン基板１７０内で１２１点以上ある。均一性はこれらの測定値から標準偏差を求め算出した。均一性は目標シート抵抗２７Ω／□を中心とした比抵抗のばらつき度合を示す。図中の右側にインジェクタ１７６のガス噴出口１８２の方向を示す。ガス噴出口１８２の角度はガス噴出口１８２の中心を通る横線から時計周りの値である。ガス噴出口１８２にはガスの噴出方向を矢印で示してある。
【００６４】
図１２（ａ）はインジェクタ１７６のガス噴出口１８２をそれぞれプロセスチューブ１７３の直径方向に対し、一方のガス噴出口１８２が４５度および、他方のガス噴出口１８２が１３５度にした時の比抵抗の分布を示す。比抵抗の高い領域がシリコン基板周囲に偏っているが、均一性は比較的よい値になっている。図１２（ｂ）はそれぞれ４５度および３１５度（２等分線がチューブの直径方向と平行でチューブ壁に向いている）場合である。比抵抗の高い領域がシリコン基板の左半分を占めており、均一性が最も悪い。図１２（ｃ）はそれぞれ１３５度および２２５度（２等分線がチューブの直径方向と平行でチューブの中心向き）場合である。この場合、比抵抗の高い領域はシリコン基板の右側に分布している。この時の均一性も悪い。さらに図１２（ｄ）は０度および９０度（２等分線がチューブの直径方向に対し４５度）に向けた場合のシリコン基板面内の比抵抗の分布を示したものである。この場合は図１２（ａ）のケースと同じような分布になるが、その均一性は図１２（ａ）より少し悪いことが分かる。以上の事から図１２（ａ）が最も良好である。ガス噴出口の設置すべき角度は、所定の角度より±１５度以内にすることが好ましい。この範囲を越えると均一性が悪化する。
【００６５】
【表１】

【００６６】
表１は図１２（ａ）のインジェクタ１７６方向を用いて目標比抵抗を１８Ω／□、２７Ω／□、７００Ω／□としたときの均一性を測定した結果である。本実施例の不純物拡散装置を用いて、シリコン基板１７０面内と、シリコン基板１７０間の均一性について測定した。シリコン基板処理枚数は基板ボート１７１に充填したシリコン基板１７０の枚数を示す。この結果、従来の構造の拡散炉ではガスの流れを一定にするため、装置の処理可能枚数以下の枚数を処理する場合、目的とするシリコン基板１７０以外にダミーのシリコン基板を基板ボート１７１に積載し、比抵抗を均一にしていたが、本実施例のごとくインジェクタ１７６を用いれば、ダミーのシリコン基板を用いる必要がなく、基板ボート１７１に充填するシリコン基板１７０の枚数が２５枚〜１００枚のいずれであっても十分な均一性を得ることができる。
【００６７】
本発明のごとき互いに９０度異なった方向にガス噴出口をもつ２重同軸型のインジェクタを気相での不純物拡散に用いることにより、同時に大量の半導体シリコン基板に対し、シリコン基板面内およびシリコン基板間の均一性よく不純物拡散を行なうことができる。
【００６８】
上記実施例では縦型拡散炉を用いて酸化・アニールする場合のプロセスシーケンスやその構造について述べた。次に、横型拡散炉を用いてパイロジェニック酸化によって酸化膜を形成する際の実施例についてのべる。横型拡散炉による、酸素リッチな雰囲気でのパイロジェニック酸化は、インジェクタ先端部において正常な燃焼状態にはならない。過剰酸素により燃焼は爆発的なものとなり水酸素炎の温度は非常に高温になる。通常インジェクタ先端部の口径は絞ってあるためインジェクタ先端部から噴出する水素および酸素の混合ガスの噴出速度は非常に高速になる。通常インジェクタは溶融石英で構成されているので、爆発的燃焼による流速の速い高温燃焼ガスによってインジェクタ先端部の石英が溶融する。溶融した石英は高速の燃焼ガスとともに放出され、微粉末となって燃焼ガスとともに、プロセスチューブ内に導入される。このようにして形成された微粉末がデバイスを形成する際にシリコン基板に付着すると、この石英粉末を核として多結晶シリコン膜が異常成長したり、エッチング時の均一性を低下させる。また、フォトリソグラフィーによるパターン形成時においても表面の反射率が変化し、正常なパターン形成が阻害される。
【００６９】
以下に本発明の横型拡散炉の実施例について図面を用いて説明する。図１３は本発明の横型拡散炉の構成図である。実施例ではシリコン基板上に膜厚２０ｎｍのシリコン酸化膜を、水素ガス流量：酸素ガス流量＝５：１５（リットル／毎分）で、成長温度９００℃のパイロジェニック酸化する場合について述べる。
【００７０】
図において、プロセスチューブ２０１には、ボート２０２に設置されたシリコン基板２０３が導入されている。ボート２０２はカンチレバー２０４上に配置されている。プロセスチューブ２０１へ導入されるガス導入口２０５とボート２０２との間にガスバッフル２０６が設置されている。ガス導入口２０５には外部燃焼チャンバ２０７が取り付けられている。外部燃焼チャンバ２０７には外部燃焼用ヒーター２０８と、インジェクタ２０９が取り付けられている。インジェクタ２０９には酸素ガスを供給する酸素ポート２１０と、水素ガスと窒素ガスを供給する水素・窒素ポート２１１を備えている。プロセスチューブ２０１には外部燃焼チャンバー２０７からつながるガス導入口２０５と、酸素ガスを供給するもう１本のガス導入口２１２とを備えている。ガス導入口２１２には酸素ポート２１３につながっている。水素・窒素ポート２１１、酸素ポート２１０と酸素ポート２１３の各々に、それぞれ水素マスフローコントローラ２１４、酸素マスフローコントローラ２１５と酸素マスフローコントローラ２１６が接続されている。酸素マスフローコントローラ２１６は水素／酸素混合比演算部２１７によって制御されている。また酸素マスフローコントローラ２１５と水素マスフローコントローラ２１４は酸素減量演算部２１８によって制御されている。
【００７１】
ここで水素ガスおよび酸素ガスの流量をそれぞれ毎分５リットルおよび毎分１５リットルを入力部に入力すると、水素ガスと酸素ガスとによる爆発を防止するための流量比の確認が行われる。本実施例の場合、水素ガス：酸素ガス流量比は３：１である。両者のガスによって爆発する上限の水素ガス：酸素ガスの流量比＝１．８：１以下であり、実施例の場合問題はない。ここで水素ガスの流量は毎分５リットルがそのまま採用され、一方酸素ガスの流量は外部燃焼を行う際に水素ガス流量：酸素ガス流量比＝１.８：１を実現するために、水素ガス流量の０．５６倍、すなわち毎分２.７８リットルの計算が酸素流量演算部２１８で行われる。
【００７２】
一方、これらの燃焼により生じた水蒸気に混合される酸素ガス量は水素／酸素混合比演算部２１７で計算される。本実施例の場合、目標の酸素ガス流量は毎分１５リットルであるので水蒸気に混合させる酸素ガス量は毎分１２．２２リットルとなる。おのおのこれらの水素ガス流量と酸素ガス流量に従ってマスフローコントローラ２１４，２１５，２１６が制御される。水素マスフローコントローラ２１４と酸素マスフローコントローラ２１５，２１６によりその流量が決定された水素および酸素はそれぞれ、水素・窒素ポート２１１および酸素ポート２１０から外部燃焼装置に導入される。この混合ガスは外部燃焼用ヒーター２０８によりインジェクタ２０９内で８００℃に加熱され、インジェクタ２０９先端で燃焼する。本実施例において使用したインジェクタ２０９を図１４に示す。
【００７３】
インジェクタ２０９はインジェクタ先端部２２０、酸素ガス放出端２２１、酸素ポート２２２、水素ポート２２３、オーリングシール２２５と燃焼チャンバ２２６とで構成されている。インジェクタ先端部２２０には水酸素炎２２７が動作時に生成される。インジェクタ２０９は同軸構造を持っており、酸素ガスは酸素ポート２２２から導入され同軸管の外管から外部燃焼チャンバ２２１内に放出される。一方、水素ガスは水素ポート２２３から同軸管の内管を通りインジェクタ先端部２２０へ導入される。水素ガスと酸素ガスはともにインジェクタ２０９内部を通過中に外部燃焼ヒーターにより十分加熱される。本実施例ではインジェクタ先端部２２０の噴き出し口は１個口とし、開口部の内径は３ｍｍとしている。水素ガス流量が毎分５リットル時、燃焼ガスの噴出速度は毎分１１．８ｍとなる。さらにインジェクタ先端部２２０の肉厚を３ｍｍと十分厚くすることによりインジェクタ先端部２２０の熱容量を大きくしている。これによって、著しくインジェクタ先端部２２０の温度が上昇しないように設計されている。もちろん噴出速度を退化させるにはさらに噴き出し口の内径を大きくし、熱容量をさらに大きくするためにインジェクタ先端部２２０の肉厚を厚くすればよい。本実施例ではインジェクタ材料として純度の高い、高純度溶融石英を用いたが、水酸基（ＯＨ）含有量および不純物含有量の低い合成石英を用いてもよい。また、いずれにせよインジェクタ先端部２２０で燃焼が生ずるため長期にわたって使用した場合には、インジェクタ２０９は徐々に磨耗する。そのため、インジェクタ材料として高温耐性および不純物含有量の少なく、表面にＣＶＤによって堆積した炭化珪素被膜を膜厚１００μｍで形成しておけば、半永久的に使用できるインジェクタ２０９が得られる。なお、噴出口の内径および肉厚は単純に大きくすればよいというものではなく、水酸素炎２２７の長さなどを考慮しなければならない。水酸素炎の長さはインジェクタ先端部２２０からその前方にある物体までの距離で決まり、通常１５〜２０ｃｍ程度である。
【００７４】
このようにしてインジェクタ先端部２２０で水素毎分５リットルと酸素毎分２．７８リットルとで燃焼させると水蒸気が発生する。この水蒸気は外部燃焼チャンバ２２６を通りプロセスチューブ２０１に導入される。なお、本実施例の方法によればインジェクタ先端部２２０の溶融は発生しないため、従来のように溶融した石英粉末がプロセスチューブ内に導入されることはない。
【００７５】
さて、一方、目標の水素ガスと酸素ガスとの混合比を実現するためにマスフローコントローラ２１６により供給される酸素ガスを毎分１２．２２リットルがプロセスチューブ２０１に設置された酸素ポート２１３から導入さる。このようにして、プロセスチューブ２０１内で水蒸気とこの酸素ガスとが混合され目標の水素ガスと酸素ガスとの混合比率が達成される。これらの混合ガスはガスバッフル２０６により乱流になった後シリコン基板２０３へと搬送される。
【００７６】
以上のプロセスにより、シリコン基板上に非常に清浄なゲート酸化膜であるシリコン酸化膜が形成される。このゲート酸化膜上には従来方法で示すような溶融石英の粉末は存在しない。したがって、後の工程で多結晶シリコン膜にオキシ塩化リンにより燐原子をドーピングする際の燐拡散を熱拡散で行った場合でも、多結晶シリコン膜が異常成長することがない。また、本実施例では続いて公知のフォトリソグラフィー技術においても表面ラフネスによるハレーションの問題や、ドライエッチングにおけるエッチング残りの問題などは発生しない。
【００７７】
本実施例ではゲート酸化、多結晶シリコン堆積についての実施例を述べているが、ＣＶＤによる膜の堆積前の堆積膜の密着性強化のための酸化膜形成などにおいても同様の効果が期待できることはいうまでもない。またシリコン基板の酸化ではなく下地がシリコン基板上のシリコン酸化膜であっても、シリコン窒化膜であっても、さらにパターンがあっても本発明の効果に差はない。ただし、溶融石英粉末自体の付着はパターン依存性や下地材料依存性があり、そのときの粒径についても依存性がある。
【００７８】
以上のように本発明によるシリコン酸化膜の形成方法および形成装置によりシリコン酸化膜を形成もしくはパイロジェニック酸化を行った場合水素、酸素の混合比にかかわらず、石英インジェクタの先端部の溶融を著しく抑制することができ、石英インジェクタの寿命を飛躍的に延命化できるとともに、溶融したインジェクタ先端部の石英が微粉末となって、シリコンシリコン基板に付着するのを防止することができ、低パーティクルおよび酸化に続いてのＣＶＤ膜堆積時における異常成長を防止することができ、加工性の低下およびデバイス性能および信頼性を低下させる事なくプロセスを行うことができる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明の如き、高濃度不純物層もしくは高濃度不純物を含む多結晶シリコン膜をシリコン基板の表面および裏面の一部または全部に有する半導体装置に熱処理を行なう場合の外方拡散を防止でき、ＬＤＤおよびＤＤＤ構造のＭＯＳトランジスタのしきい値電圧の変動や電流駆動能力の低下を防止することができる。
【００８０】
また、本発明の半導体製造装置では、同時に大量の半導体シリコン基板に対し、シリコン基板面内およびシリコン基板間の均一性よく不純物拡散を行なうことができる。
【００８１】
さらに、パイロジェニック酸化を行った場合に石英インジェクタの先端部の溶融を著しく抑制することができ、石英インジェクタの寿命を飛躍的に延命化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＬＤＤ構造の半導体装置の製造方法の工程断面図
【図２】本発明の半導体装置の製造方法の熱処理シーケンスを示す図
【図３】本発明のＤＤＤ構造の半導体装置の製造方法の工程断面図
【図４】本発明の半導体装置の製造方法の熱処理シーケンスを示す図
【図５】本発明の容量素子である半導体装置の製造方法の工程断面図
【図６】本発明の半導体装置の製造方法の熱処理シーケンスを示す図
【図７】本発明の半導体製造装置を示す図
【図８】本発明の半導体製造装置である縦型拡散炉を示す図
【図９】本発明の半導体製造装置のインジェクタを示す図
【図１０】本発明の半導体製造装置のインジェクタの長手方向の断面図
【図１１】本発明の半導体製造装置のインジェクタの断面図
【図１２】本発明の半導体製造装置によって形成されたシリコン基板上の比抵抗分布を示す図
【図１３】本発明の半導体製造装置の構成を示す図
【図１４】本発明の半導体製造装置のインジェクタを示す図
【図１５】従来の容量素子である半導体装置の製造方法の工程断面図
【図１６】従来のＬＤＤ構造の半導体装置の製造方法の工程断面図
【図１７】従来のＤＤＤ構造の半導体装置の製造方法の工程断面図
【図１８】従来の半導体製造装置を示す図
【図１９】従来の半導体製造装置によって形成されたシリコン基板上の比抵抗分布を示す図
【図２０】従来のの半導体製造装置を示す図
【図２１】従来の半導体製造装置によって形成されたシリコン基板上の比抵抗分布を示す図
【図２２】従来の半導体製造装置によって形成されたシリコン基板上の比抵抗分布を示す図
【図２３】従来の半導体製造装置の構成を示す図
【符号の説明】
１０１シリコン基板
１０２，１０３ウェル領域
１０４分離領域
１０５ゲート酸化膜
１０６，１０７多結晶シリコン膜
１０８フォトレジスト
１０９リンイオン
１１０ＬＤＤ領域
１１３チャネル領域
１１４，１１５ソース／ドレイン領域
１１６側壁
１１７酸化膜

Claims

プロセスチューブと、前記プロセスチューブ内に設置されたボートと、前記プロセスチューブ内にガスを導入するガス導入口と、前記プロセスチューブ内からガスを排出する排気口と、前記ガス導入口から導入されたガスはインジェクタを通って前記プロセスチューブ内に導入され、前記インジェクタが前記プロセスチューブの長手方向に前記ボートの長さを越える長さを持つ同軸状の２重管でなることを特徴とする半導体製造装置。
前記インジェクタの２重管の外管には管断面の中心に対して９０度の角度を持つ少なくとも２つの第１のガス噴出口と、前記２重管の内管には前記第１の噴出口のそれぞれに対して１３５度の角度を少なくとも持つ第２の噴出口とでなることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
前記インジェクタに導入されたガスは、前記内管から、前記内管と前記外管との間に放出され、次に前記外管より前記プロセスチューブ内に放出されることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。